Инверсная населённость возбуждалась в кристаллах рубина, облучаемых излучением ксеноновой лампы-вспышки. Речь идёт о том самом рубине, который хорошо известен как драгоценный камень, используемый в качестве украшения для колец, брошек и других ювелирных изделий. Рубин представляет собой оксид алюминия, в кристаллической решетке которого небольшая часть атомов алюминия замещена ионами хрома (примесь хрома составляет от 0,05 до 0,5%). Хром поглощает излучение жёлтого и зелёного участков спектра и пропускает красный и оранжевый цвета. Этим объясняется великолепный красный цвет рубина. В настоящее время кристаллы рубина выращивают искусственно. При поглощении света ионами хрома происходит переход ионов в возбуждённое состояние (рис.3).
В результате внутренних процессов возбуждённые ионы хрома переходят основное состояние не сразу, а через два возбуждённых уровня. На этих уровнях происходит накопление ионов и при достаточно мощной вспышке ксеноновой лампы возникнет инверсная населённость между промежуточными уровнями и основным уровнем ионов хрома.
Торцы рубинового стержня (рис.4) полируют покрыиают светоотражающими интеференционными плёнками, выдерживая при этом строгую параллельность торцов друг другу.
При возникновении инверсии населённостей уровней ионов хрома в рубине происходит лавинное нарастание числа вынужденно испущенных фотонов, и система обратной связи на оптическом резонаторе, образованном зеркалами на торцах рубинового стержня, обеспечивает формирование узконаправленного луча красного цвета. Длительность лазерного иьпульса ~ 10-3с., немного короче длительности вспышки ксеноновой лампы. Энергия импульса рубинового лазера около 1 дж.
С помощью механической системы (вращающееся зеркало) или быстродействующего электронного затвора можно “включить” обратную связь (настроить одно из зеркал) в момент достижения максимальной инверсии населённостей и, следовательно, макси-мального усиления активной среды. В этом случае мощность индуцированного излучения будет чрезвычайно велика и инверсия населённости “снимается” вынужденным излучением за очень короткое время.
В этом режиме модулированной добротности резонатора излучается гиганский импульс лазерного излучения. полная энергия этого импульсаостанется приблизительно на том же уровне, что и в режиме “свободной генерации”, но вследствие сокращения в сотни раз длительности импульса также в сотни раз возрастает мощность излучения, достигая значения ~ 108Вт.
В данной юеседе мы ограничились описанием только на рубине, работающем в импульсном режиме. Таков был первый лазер, созданный в 1960 году. Стех пор было создано множество разнообразных типов лазеров, работающих в различных режимах. Существуют непрерывно накачиваемые лазеры (энергия возбуждения поступает в активный элемент лазера непрерывно), излучение которых имеет вид либо непрерывного светового потока, либо регулярной последовательности световых импульсов. Частота следования лазерных импульсов может быть очень высокой – до 10 7 импульсов в секунду. Лазеры с импульсной накачкой (энергия возбуждения поступает в активный элемент отдельными импульсами) могут излучать “гиганские импульсы” (длительность импульса 10-8с, интенсивность импульса в максимуме до 106 квт), а также сверхкороткие световые импульсы (длительность импульса 10-12 с,интенсивность в максимуме до 109 квт). В качестве активных элементов лазеров применяются различные кристаллы, стёкла, полупроводниковые материалы, жидкости, а также газовые среды. Для возбуждения газовых активных сред используется электрический разряд в газе.
Укажем основные типы лазеров:
а) твёрдотельные (на рубине, на гранатах или стёклах, активированных неодимом);
б) газоразрядные (на смеси гелия и неона, на ионизированном аргане, на углекислом газе);
в) жидкостные (на растворах органических красителей);
г) полупроводниковые (на чистых полупроводниках, на контактирующих друг сдругом примесных полупроводниках разного типа);
д) химические (на газовых смесях, в которых происходят химические реакции с выделением энергии);
е) газодинамические (на реактивной струе газа).
Газовые лазеры.- Основным достоинством газов, как активной среды лазера, является высокая оптическая однородность.Поэтому для тех научных и технических приминений, для которых прежде всего необходимы максимально высокая направленность и монохроматичьность излучения, газовые лазеры представляют наибольшие интересы.
Вслед за первым газовым лазером на смеси гелия и неона (1960г) было создано большое количество рознообразных газовых лазеров в которых используются квантовые переходы нейтральных атомов и молекул, и имеющие частоты в диапозонах от ультрофиолетового до инфрокрасных частей спектра. Так лазер на водороде работает на длине волны λ=0,17 мкм. Лазер на ионах –Ne³+uNe+ работает на длине волны λ=0,2358 мкм. и λ=0,3324 мкм,а лазер на молекулах воды H2O на длинах волн λ=27,9 мкм. и λ=118,6 мкм. Среди лазеров непрерывного действия видимой и ближней инфракросной области спектра, наибольшее распространение получил гелий-неновый лазер. Этот лазер представляет собой заключённую в оптический резонатор газоразрядную трубку заполненную смесью NeuNe. Он генерирует излучение с длиной волны λ=0,6328 мкм , то есть в красной области спектра. Типичные размеры трубки это несколько десятков метров или 1-2 м., диаметр несколько милиметров. мощьность генерации обычно составляет десятки мВТ. Гелий-неоновый лазер может работать на условном ряде переходов в ближайшей инфрокрасной области, направленной на длинах волн λ=1,152 мкм. и λ=3,39 мкм. В лазере сравнительно просто реализуется предельно малая дифракционная расходимость светового пучка. Наиболее мощным лазером непрерывного действия, в видимой области спектра, является аргоновый лазер. В нём используется электрический разряд, с большой плотностью тока(до нескольких тысячь а ∕см²). Он работает на квантовых переходах иона Ar в синей и зелёной областях спектра, с длиной волны λ=0,4880 мкм. и λ=0,5145 мкм. Мощьность генерации составляет десятки вт. Конструктивно аргоновый лазер значительно сложнее гелий неонового (необходимы охлаждение и циркуляция газа). Наиболее мощным лазером является лазер на CO2 где λ=1,06 мкм. при непрерывном режиме работы СО2—λ достигается мощность в десятки квт. Создано также большое число импульсных газовых лазеров работающих, как правило в переходном режиме формировония разряда.
Некоторые из них в режиме коротких импульсов (длительность≈10-9с.) дают сравнительно высокие пиковые мощности≈10 квт. СО2 –λ также может работать в импульсном режиме обеспечивая мощность 1010 вт. Газовые лазеры способны обеспечить значительно более высокую монохроматичность излучения, нежели лазеры всех других типов. Однако на пути повышения монохроматичности и стабильности частоты излучения лазера, возникает целый ряд трудностей, как технического, так и принципиального характера. Различные помехи, приводящие к «качению» частоты лазера можно разделить на два класса: технические, влияющие на собственные частоты резонатора и физические, сказывающиеся на частотах рабочего перехода. К первым можно отнести дрожание зеркал резонатора, изменение его длины вследствии его теплового расширения и тд. Ко вторым относятся влияние внешних электрических и магнитных полей флуктуации, свойства активной среды и мощности накачки. Для уменьшения роли большинства из этих факторов имеются соответствующие методы защиты. Например разрабатываются специальные методы автоматической подстройки резонаторов, использующие магнитострикционные явления – пъезоэффект. В основе этих методов лежит следующая система, которая фиксирует изменения параметров резонаторов и обеспечивает соответствующую компенсацию. Наиболее важным фактором стабильности частоты лазера является флуктуации давления в рабочем объёме. Форма спектральной линии в газе зависит от давления, так как столкновения атомов и молекул в газе приводят к уширению и сдвигу спектральных линий пропорциональным давлению. Флуктуация давления приводит к флуктуации частоты рабочего квантового перехода. Поэтому активный газ должен находится при возможно более низком давлении. С другой стороны понижение давления приводит к уменьшению коэфициэнта усиления среды. Это противоречие частично удаётся разрешить методом стабилизации частоты излучения лазера с помощью поглощающей ячейки помещаемой в резонатор. В поглощающей ячейке находится газ, имеющий спектральную линию соответствующую рабочему переходу активной среды. Например, у гелий-неонового лазера для линий λ=3,39 мкм таким газом является метан СН4. Оказалось возможным стабили-зировать частоту излучения лазера по частотам линии поглощения метана, причём в условиях, когда давление, поглощающего газа значительно меньше активного. С помощью поглощающей ячейки достигнута относительная стабильность частоты излучения.